Orologio atomico, come funziona e perché è preciso

Orologio atomico, come funziona e perché è preciso

Infranta un’altra barriera alla ricerca della precisione assoluta.

Tutti gli addetti ai lavori si sono trovati prima o poi di fronte alla delusione di qualche utente che lamenta come scarsa la precisione di 1’/2′ al mese in un orologio meccanico.

Dopo l’avvento del quarzo si fa fatica a spiegare che alcuni limiti sono pressoché insormontabili. Invalicabili perché soggetti alla Fisica. Il meccanismo è soggetto a variabili dovute alla temperatura, al movimento del polso, all’ambiente stesso in cui si staziona.

Questi limiti sono stati in gran parte superati dal movimento a quarzo, che basandosi principalmente sul principio “solide-state” genera propulsione in ambiente inattaccabile da agenti esterni.

Ma anche il quarzo è soggetto a interazioni. Dobbiamo considerare che la sua frequenza viene influenzata dalla temperatura. La taratura dei quarzi avviene in ambiente stabilizzato a 25° C. E ciò perché la curva termica di risposta della sua reazione ci indica che al di sotto e al di sopra di questa temperatura, il quarzo tende a diminuire la propria frequenza.

La regolazione viene consigliata in circa +0,07 centesimi di secondo al giorno. Perché STATISTICAMENTE questo è lo scarto che compensa la variazione di temperatura in un uso normale. Va da sé quindi che potremo avere risultati diversi da individuo a individuo anche solo in base alla posizione geografica in cui le persone si trovano.

Questo avviene perché alla base della precisione ci sta la base dei tempi. Le frequenze di base utilizzate attualmente per gli orologi da polso sono di 5 Hz. nei migliori meccanici, 32.768 Hz. nei quarzi tradizionali e 262.144 Hz. nei quarzi a oscillazione torsionale (Precision di Bulova). E più l’oscillazione e quindi la base dei tempi è costante, maggiore sarà la precisione.

L’orologio atomico

Per avere la massima accuratezza si ricorre quindi alla scienza delle micro-particelle. È nata da ciò l’idea di affidare l’ora ufficiale mondiale ad un orologio atomico.

Gli scienziati hanno scoperto che vi sono alcuni elementi che sono definiti stabili in relazione all’interscambio di energia tra le particelle sub-atomiche.

Si arrivò a determinare che il Cesio fosse il più appropriato. Attualmente infatti l’ora campione che stabilisce l’orario ufficiale nel nostro pianeta è dettata da un orologio al Cesio.

Ma la ricerca non si ferma. Si è scoperto che lo Stronzio presenta maggiore stabilità.

Come funziona

Il principio di base che genera la frequenza in un orologio atomico è abbastanza complicato. C’è di buono che lo sfruttamento di questa frequenza risulta abbastanza semplice nella sua traduzione in visualizzazione. Una volta in possesso di questa base dei tempi, la finalizzazione non si discosta molto da quella dei comuni orologi. Per cui possiamo leggere tranquillamente l’orario su un display.

Il vero problema, come anticipato è produrre una frequenza il più elevata possibile e stabilissima. Cicli praticamente perfetti.

Sappiamo che nel mondo dell’infinitamente piccolo ci sono costanti scambi di energia tra elementi. Solo in questo modo si garantisce la vita e il movimento ad ogni livello. Gli atomi si scambiano particelle, le legano tra loro, cedono energia continuamente gli uni gli altri. Nella stessa formula dell’acqua, H2O possiamo scorgere il legame di due atomi di idrogeno e uno di ossigeno che si “sposano” incrociando i propri elettroni. Creando un legame forte.

Spesso alcuni atomi cedo un proprio elettrone (che ha carica negativa) ad un atomo col quale si legano, rendendolo così di carica positiva. L’atomo modificato, sia quello che ha perso che quello che ha guadagnato l’elettrone, viene chiamato ione. Ione negativo il primo, ione negativo il secondo.

Allo stesso modo, eliminando un neutrone dal nucleo di un atomo, se ne può modificare la massa, senza interagire sulla carica elettrica, essendo il neutrone a carica neutra. In questo caso si dice che questo atomo è un isotopo della materia originaria.

I ricercatori si erano quindi concentrati su un isotopo del Cesio, ma alcuni loro colleghi, e precisamente un team della University of Colorado (Boulder) coordinato da Jun Yesi, si sono accorti circa due anni fa che in alcuni processi lo Stronzio 38Sr è più costante.

Come l’orologio atomico genera frequenza

La frequenza con cui lo Stronzio 38Sr genera energia è altamente costante. Si tratta infatti di cicli che se non rasentano la perfezione di puntualità poco ci manca. Sfruttando una base dei tempi così affidabile si avvicina praticamente una base che rappresenta quasi lo scorrere ininterrotto del tempo.

Generare le condizioni grazie alle quali si ottiene una cessione di energia del genere è ancora un po’ “ingombrante” e probabilmente dovremo aspettare decenni prima di iniziare a sognare un orologio atomico da polso.

Sta di fatto, però, che il grado di precisione che un orologio atomico 38Sr può garantire è dell’ordine di 1 secondo in 90 miliardi di anni. E ciò grazie ad una frequenza di 1 milione di miliardi di Hz. (10^15 = un biliardo). Una bella differenza rispetto ai 5 Hz. dell’orologio meccanico!

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Enrico Cannoletta
Tecnico orologiaio e gemmologo diplomato presso il Gemological Institute of America specializzato in orologeria meccanica e storia dell’orologeria, è stato uno dei primi tecnici in Italia esperti nella riparazione degli orologi a quarzo analogici, LED e LCD. Titolare insieme al figlio Emanuele della storica Gioielleria Cannoletta di Sanremo fondata da suo padre Antonio nel 1949 e Consulente Tecnico del Tribunale di Sanremo per il settore Preziosi. Collabora da diversi anni con il Blog degli Orologi, il Blog dei Gioielli e altre testate specializzate.
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